'โทโพโลยี' graphene nanoribbons ดักอิเล็กตรอนสำหรับวัสดุควอนตัมใหม่

Anonim

นักวิทยาศาสตร์กำลังทดลองกับแถบ graphene แคบที่เรียกว่า nanoribbons ด้วยความหวังในการทำอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์ใหม่ ๆ ที่น่าสนใจ แต่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียนักวิทยาศาสตร์เบิร์กลีย์ได้ค้นพบบทบาทที่เป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งของพวกเขาเช่นการดักอิเล็กตรอนแบบนาโนที่มีศักยภาพในการใช้งานคอมพิวเตอร์ควอนตัม

กราฟีนแผ่นอะตอมของคาร์บอนที่จัดอยู่ในตาข่ายรังผึ้งแข็งคล้ายลวดไก่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าสนใจของตัวเอง แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์ตัดแถบน้อยกว่าประมาณ 5 nanometers ในความกว้าง - น้อยกว่าหนึ่งในสิบพันของความกว้างของเส้นผมมนุษย์ nanoribbon graphene จะใช้สมบัติควอนตัมใหม่ทำให้เป็นทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ silicon

นักทฤษฎีศาสตร์ของ UC Berkeley Steven Louie ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์คาดการณ์ว่าปีที่แล้วว่าการรวมกันของนาโนริบบอนสองชนิดอาจทำให้เกิดวัสดุที่ไม่เหมือนใครซึ่งทำให้อิเล็กตรอนเดี่ยวอยู่ที่รอยต่อระหว่างส่วนริบบิ้น

เพื่อให้บรรลุนี้อย่างไรอิเล็กตรอน "topology" ของชิ้นส่วนสอง nanoribbon ต้องแตกต่างกัน โทโพโลยีที่นี่หมายถึงรูปร่างที่รัฐอิเล็กตรอนแบบ propagating นำมาใช้เมื่อเคลื่อนย้ายควอนตัมแบบ mechanically ผ่าน nanoribbon ซึ่งเป็นสมบัติที่ละเอียดอ่อนที่ถูกละเลยใน graphene nanoribbons จนกว่าจะมีคำทำนายของ Louie

เพื่อนร่วมงานของ Louie, นักเคมีชื่อ Felix Fischer และนักฟิสิกส์ Michael Crommie รู้สึกตื่นเต้นกับความคิดและการใช้งานของอิเล็กตรอนในนาโนริบบอนและร่วมทดสอบการทำนาย ร่วมกันพวกเขาสามารถทดลองแสดงให้เห็นว่าจุดเชื่อมต่อของ nanoribbons ที่มีโครงสร้างเหมาะสมจะถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนที่แปลเป็นรายบุคคล

nanoribbon ทำตามสูตรของ Louie ที่มีแถบริบบิ้นแบบสลับกันที่มีความกว้างต่างกันสร้างรูปรังสี nanoribbon สร้างเส้น conga ของอิเล็กตรอนที่โต้ตอบกับควอนตัมทางกล nanoribbon ไฮบริดใหม่คือโลหะสารกึ่งตัวนำหรือโซ่ qubits องค์ประกอบพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

Crommie ศาสตราจารย์ UC Berkeley กล่าวว่า "นี่เป็นวิธีใหม่ในการควบคุมสมบัติทางอิเลคทรอนิคส์และแม่เหล็กของแกรไฟต์นาโนบอนด์ "เราใช้เวลาหลายปีในการเปลี่ยนคุณสมบัติของ nanoribbons โดยใช้วิธีการแบบเดิม ๆ แต่การเล่นกับโครงสร้างของมันทำให้เรามีวิธีการใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติพื้นฐานของ nanoribbons ที่เราไม่เคยสงสัยมาก่อนจนถึงปัจจุบันนี้"

ทฤษฎีของ Louie อนุมานได้ว่า nanoribbons เป็นฉนวนทางทอพอโลยี: วัสดุที่ไม่ธรรมดาซึ่งเป็นฉนวนไม่ใช่ตัวนำภายใน แต่เป็นตัวนำโลหะตามพื้นผิว 2016 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ได้รับรางวัลให้กับนักวิทยาศาสตร์สามคนแรกที่ใช้หลักการทางคณิตศาสตร์ของโทโพโลยีเพื่ออธิบายสถานะควอนไทม์ของสสารซึ่งเป็นข้อมูลทอพอโลยี

ตัวฉนวนเชิงเส้นสามมิตินำกระแสไฟฟ้าไปตามด้านข้างแผ่นฉนวนไฟฟ้าเชิงเส้น 2 มิติของพวกเขานำไฟฟ้าไปตามขอบของพวกเขาและตัวฉนวนรูปทรงกระบอก 1D nanoribbon ใหม่นี้มีขนาดเท่ากับ 0 มิติของโลหะที่ขอบของพวกเขาด้วยข้อแม้ที่ว่า อิเล็กตรอน 0D เดียวที่รอยต่อริบบิ้นจะถูก จำกัด ไว้ในทุกทิศทางและไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ทุกที่ ถ้าอิเล็กตรอนตัวอื่นติดอยู่ใกล้ ๆ กันอย่างไรก็ตามทั้งสองสามารถอุโมงค์ตามแนวนาโนบอนด์และเจอกันได้ผ่านกฎของกลศาสตร์ควอนตัม และการหมุนของอิเล็กตรอนที่อยู่ติดกันถ้าเว้นระยะห่างเพียงด้านขวาจะกลายเป็นเรื่องยุ่งเหยิงเพื่อให้การปรับแต่งมีผลต่อคนอื่น ๆ คุณลักษณะที่จำเป็นสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ฟิสเชอร์เป็นศาสตราจารย์ด้านเคมีของ UC Berkeley กล่าวว่าการสังเคราะห์ไฮบริด nanoribbons เป็นผลงานที่ยากลำบาก ในขณะที่นักทฤษฎีสามารถทำนายโครงสร้างของฉนวนทางทอพอโลยีหลายแบบนั่นไม่ได้หมายความว่าพวกเขาสามารถสังเคราะห์ได้ในโลกแห่งความเป็นจริง

"นี่คุณมีสูตรง่ายๆสำหรับการสร้างสถานะโทโพโลยีในวัสดุที่เข้าถึงได้มาก" ฟิสเชอร์กล่าว "มันเป็นแค่สารเคมีอินทรีย์เท่านั้นการสังเคราะห์ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย แต่เราสามารถทำมันได้นี่เป็นความก้าวหน้าที่ทำให้เราสามารถเริ่มคิดถึงวิธีการใช้งานนี้เพื่อให้ได้โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่เคยมีมาก่อน"

นักวิจัยจะรายงานการสังเคราะห์ทฤษฎีและการวิเคราะห์ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 9 สิงหาคม Louie, Fischer และ Crommie เป็นคณะนักวิทยาศาสตร์ที่ Lawrence Berkeley National Laboratory ด้วย

นิตติ้ง nanoribbons ด้วยกัน

Louie ผู้เชี่ยวชาญในทฤษฎีควอนตัมของรูปแบบที่ผิดปกติของสสารจากตัวนำยิ่งยวดไปสู่โครงสร้างนาโนประพันธ์กระดาษปีพ. ศ. 2560 ที่อธิบายถึงวิธีการสร้างแกรไฟต์นาโนบอนด์ที่ใช้ประโยชน์จากการค้นพบทางทฤษฎีว่า nanoribbons เป็นตัวฉนวนเชิงเส้น 1D สูตรของเขาต้องใช้สิ่งที่เรียกว่า nanoribbons เล็กน้อย topologically และการจับคู่กับ nanoribbons ไม่สำคัญ topologically ที่ Louie อธิบายวิธีการบอกความแตกต่างระหว่างสองโดยดูที่รูปร่างของควอนตัมรัฐกลที่นำโดยอิเล็กตรอนในริบบิ้น

Fischer ผู้เชี่ยวชาญในการสังเคราะห์และอธิบายลักษณะของนาโนเมตรที่ผิดปกติได้ค้นพบวิธีใหม่ในการสร้างโครงสร้างนาโนของอะตอมที่แม่นยำซึ่งจะแสดงคุณสมบัติเหล่านี้จากสารประกอบคาร์บอนที่ซับซ้อนขึ้นอยู่กับแอนทราซีน

ทำงานเคียงข้างกันทีมงานวิจัยของ Fischer และ Crommie ได้สร้าง nanoribbons บนตัวเร่งปฏิกิริยาทองคำที่ร้อนภายในห้องสูญญากาศและทีมของ Crommie ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์ในอุโมงค์สแกนเพื่อยืนยันโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของ nanoribbon มันเหมาะอย่างยิ่งกับทฤษฎีและการคำนวณของ Louie nanoribbons ไฮบริดที่พวกเขาทำระหว่าง 50 และ 100 junctions แต่ละครอบครองโดยอิเล็กตรอนแต่ละสามารถควอนตัมโต้ตอบกับเพื่อนบ้านของเครื่องจักรกล

Crommie กล่าวว่า "เมื่อคุณสร้างความร้อนให้กับตึกอาคารคุณจะได้รับผ้าห่มของโมเลกุลที่เย็บเข้าด้วยกันเป็น nanoribbon อันสวยงามนี้" "แต่เนื่องจากโมเลกุลที่ต่างกันมีโครงสร้างที่แตกต่างกัน nanoribbon สามารถออกแบบให้มีคุณสมบัติใหม่ที่น่าสนใจ"

Fischer กล่าวว่าความยาวคลื่นของแต่ละส่วนของ nanoribbon สามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อเปลี่ยนระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนที่ติดอยู่ซึ่งจะเปลี่ยนวิธีที่พวกมันโต้ตอบควอนตัมด้วยกลไก เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ใกล้กันจะมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรงและแบ่งออกเป็นสองรัฐควอนตัม (พันธะและแอนตี้ - กาว) ซึ่งสามารถควบคุมคุณสมบัติได้ช่วยให้สามารถสร้างโลหะ 1D และฉนวนตัวใหม่ได้ เมื่ออิเล็กตรอนที่ติดอยู่แยกออกจากกันเล็กน้อยเล็กน้อยมันก็ทำหน้าที่เป็นตัวเล็ก ๆ ควอนตัม (สปิน) ที่สามารถพันกันได้และเหมาะสำหรับการคำนวณควอนตัม

"นี่ทำให้เรามีระบบใหม่ที่ช่วยลดปัญหาบางอย่างที่คาดการณ์ไว้สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตเช่นวิธีการผลิตจุดควอนตัมที่มีความแม่นยำสูงได้อย่างง่ายดายด้วยการออกแบบสิ่งกีดขวางที่สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างตรงไปตรงมา" ฟิสเชอร์ กล่าว.

ผู้ร่วมเขียนบทความคือ Daniel Rizzo และ Ting Cao จากภาควิชาฟิสิกส์และ Gregory Veber จากภาควิชาเคมีพร้อมกับเพื่อนร่วมงาน Christopher Bronner, Ting Chen, Fangzhou Zhao และ Henry Rodriguez ฟิสเชอร์และ Crommie เป็นสมาชิกของ Kavli Energy NanoSciences Institute ที่ UC Berkeley และ Berkeley Lab

menu
menu